(57)【要約】【課題】  鋳物の表面が鋳込みにより形成された中空部に露出している鋳造品およびその製造方法を提供し、さらに、冷却効率に優れた信頼性の高い鋳造ピストンを提供する。【解決手段】  ピストン１は、鋳込みによりオイルギャラリ２０が形成された鋳造品である。ピストン１は、金網２１を備え、その金網２１は、オイルギャラリ２０を規定するピストン本体１１の表面を覆う。オイルギャラリ２０には、冷却油が流される。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳込みにより中空部が形成された鋳造品であって、
前記中空部を規定する鋳物の表面を覆う金属製の網状体を備える、鋳造品。
【請求項２】
外周面を有するピストン本体と、
前記外周面の周方向に沿って前記ピストン本体に埋設され、リング溝が形成された耐摩環とを備え、
内燃機関の燃焼圧を受圧し、かつ受熱する鋳造ピストンであって、
前記ピストン本体には、前記耐摩環に隣り合って、冷却用流体が流れる中空部が形成されており、
前記中空部を規定する前記ピストン本体の表面を覆う金属製の網状体をさらに備える、鋳造ピストン。
【請求項３】
前記ピストン本体を構成する鋳物が、前記網状体を挟んで前記中空部の反対側にのみ存在する、請求項２に記載の鋳造ピストン。
【請求項４】
鋳型内に、中空形状を有する金属製の網状体を配置する工程と、
前記鋳型内に溶融金属を注湯し、前記網状体が有する中空形状部分に位置して中空部が形成された鋳造品を作製する工程とを備える、鋳造品の製造方法。
【請求項５】
前記鋳造品を作製する工程は、重力鋳造法により前記鋳造品を作製する場合に、前記鋳型内の雰囲気との境界に生じる前記溶融金属の酸化膜を、前記網状体によって捉え、前記酸化膜の形成される位置を制御する工程を含む、請求項４に記載の鋳造品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、一般的には、鋳造品、鋳造ピストンおよび鋳造品の製造方法に関し、より特定的には、冷却油を循環させるための中空部が形成された鋳造品、鋳造ピストンおよび鋳造品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のピストンに関して、たとえば、特開平５−６９２４０号公報には、リング溝が形成された耐摩環に沿って冷却油用通路が形成されたディーゼルエンジン用ピストンが開示されている（特許文献１）。特許文献１に開示されたピストンでは、耐摩環と、その耐摩環に溶接された冷却油環部とによって区画形成された空間に、冷却油用通路が形成されている。
【０００３】
また、特開平１１−８２７３８号公報には、複雑な構造を必要とせず、耐摩環のリング溝の冷却効率を向上させるピストンが開示されている（特許文献２）。特許文献２に開示されたピストンでも、耐摩環と、その耐摩環に溶接された中空金属環とによって区画形成された空間に、冷却油用通路が形成されている。
【特許文献１】特開平５−６９２４０号公報
【特許文献２】特開平１１−８２７３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示されたピストンでは、冷却油環部によって、ピストン母材であるアルミニウム合金と、冷却油用通路を循環する冷却油とが分断されている。このため、両者の間の熱伝達率が低下し、期待する冷却効率が得られないという問題が発生する。また、特許文献２に開示されたピストンでは、リング溝の冷却効率を向上させるため、冷却油用通路を規定する耐摩環の内周面が凹凸形状に形成されている。しかし、ピストンを形成するアルミニウム合金と、冷却油用通路を循環する冷却油との間には、中空金属環が連続して存在するため、特許文献１に開示されたピストンと同様に冷却効率の低下が問題となる。
【０００５】
そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、鋳込みにより形成された中空部に鋳物の表面を露出させた鋳造品およびその製造方法を提供することである。また別に、この発明の目的は、冷却効率に優れた信頼性の高い鋳造ピストンを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に従った鋳造品は、鋳込みにより中空部が形成された鋳造品である。鋳造品は、金属製の網状体を備える。その網状体は、中空部を規定する鋳物の表面を覆う。
【０００７】
このように構成された鋳造品によれば、網状体によって、鋳造品の鋳造工程時に溶湯が中空部内へ浸入することを防止する。これにより、中空部を規定する鋳物の表面が、網状体の網目の間から中空部に露出した構成を得ることができる。
【０００８】
この発明に従った鋳造ピストンは、外周面を有するピストン本体と、外周面の周方向に沿ってピストン本体に埋設され、リング溝が形成された耐摩環とを備え、内燃機関の燃焼圧を受圧し、かつ受熱する鋳造ピストンである。ピストン本体には、耐摩環に隣り合って、冷却用流体が流れる中空部が形成されている。鋳造ピストンは、金属製の網状体をさらに備える。その網状体は、中空部を規定するピストン本体の表面を覆う。
【０００９】
このように構成された鋳造ピストンによれば、網状体によって、鋳造ピストンの鋳造工程時に溶湯が中空部内へ浸入することを防止する。これにより、中空部を規定するピストン本体の表面を、網状体の網目の間から中空部に露出させることができる。このような構成により、冷却用流体は、ピストン本体の表面と直接、接触しながら、中空部内を流れる。これにより、冷却用流体によるピストン本体や耐摩環の冷却効率を向上させることができ、延いては、ピストンの信頼性を向上させることができる。
【００１０】
また好ましくは、ピストン本体を構成する鋳物が、網状体を挟んで中空部の反対側にのみ存在する。このように構成された鋳造ピストンによれば、網状体の網目の間から中空部に突出した鋳物が、中空部内を流れる冷却用流体の流れを妨げるということがない。このため、冷却用流体によるピストン本体や耐摩環の冷却効率が低下することを防止できる。
【００１１】
この発明に従った鋳造品の製造方法は、鋳型内に、中空形状を有する金属製の網状体を配置する工程と、鋳型内に溶融金属を注湯し、網状体が有する中空形状部分に位置して中空部が形成された鋳造品を作製する工程とを備える。
【００１２】
このように構成された鋳造品の製造方法によれば、鋳型内に注湯された溶融金属は、網状体の網目を通過することができず、網状体が有する中空形状部分に中空部を形成することができる。これにより、中子を用いることなく、鋳物の表面が中空部に露出した構成を得ることができる。
【００１３】
また好ましくは、鋳造品を作製する工程は、重力鋳造法により鋳造品を作製する場合に、鋳型内の雰囲気との境界に生じる溶融金属の酸化膜を、網状体によって捉え、酸化膜の形成される位置を制御する工程を含む。このように構成された鋳造品の製造方法によれば、亀裂や欠損の起点となり得る溶融金属の酸化膜が、鋳造品の応力集中が生じやすい位置や、鋳造工程後に加工される位置に形成されることを防止できる。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、この発明に従えば、鋳込みにより形成された中空部に鋳物の表面を露出させた鋳造品およびその製造方法を提供することができる。また、この発明に従えば、冷却効率に優れた信頼性の高い鋳造ピストンを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、この発明の実施の形態におけるピストンを示す側面図である。図中には、直接噴射式のディーゼルエンジンを構成するピストンとシリンダとが示されている。図２は、図１中のピストンを示す断面図である。
【００１７】
図１および図２を参照して、ディーゼルエンジンは、シリンダ壁２ｂを有するシリンダ２と、そのシリンダ壁２ｂに囲まれた空間に封入されたピストン１とを備える。ピストン１は、鋳造工程により作製された鋳造ピストンであり、アルミニウム合金からたとえば形成されたピストン本体１１を備える。シリンダ２は、たとえば、鋳鉄やアルミニウム合金から形成されている。
【００１８】
ピストン本体１１は、ヘッド部４と、ヘッド部４に連なり、図示しないコネクティングロッドに接続されるスカート部３とから構成されている。ヘッド部４は、図示しないシリンダヘッドに向い合う頂面１ａを有する。ヘッド部４には、頂面１ａから凹んだ形状を有し、燃焼室を構成するリップ部１７が形成されている。ピストン１は、その燃焼室で発生した燃焼圧を受けることによって、シリンダ２内を往復運動する。
【００１９】
図３は、図２中の２点鎖線ＩＩＩに囲まれた範囲を拡大して示す断面図である。図１から図３を参照して、ヘッド部４は、シリンダ壁２ｂに対向して延在する外周面１ｂをさらに有する。ピストン本体１１には、耐摩環１０が埋設されている。耐摩環１０は、リップ部１７を取り囲むように、外周面１ｂの周方向に沿って環状に延びている。耐摩環１０は、耐磨耗性に優れた材料から形成されており、たとえば、ニレジスト（Ni-resist：高ニッケルオーステナイト鋳鉄）から形成されている。
【００２０】
耐摩環１０には、外周面１ｂ側に開口し、外周面１ｂの周方向に沿って延びるリング溝１２が形成されている。外周面１ｂには、外周面１ｂの周方向に沿って延びるリング溝１３およびオイルリング溝１４が形成されている。リング溝１２および１３ならびにオイルリング溝１４は、互いに間隔を隔てて形成されており、リング溝１２、リング溝１３およびオイルリング溝１４と挙げた順に、頂面１ａに近い位置から並んで形成されている。
【００２１】
リング溝１２および１３には、それぞれ、上部ピストンリング５および下部ピストンリング６が嵌め合わされている。オイルリング溝１４には、オイルリング７が嵌め合わされている。上部ピストンリング５は、摩耗に対して最も厳しい条件となる位置に配置されている。したがって、その位置に耐摩環１０を設けることによって、ピストン１の耐磨耗性を確保することができる。なお、なお、本実施の形態では、ピストンに３本のリングが設けられているが、１本のリングが設けられていても良いし、２本のリングが設けられていても良い。
【００２２】
ピストン本体１１には、耐摩環１０の内側に位置して環状に延在するオイルギャラリ２０が形成されている。オイルギャラリ２０は、耐摩環１０の内周面１０ｃと、その内周面１０ｃから連なるピストン本体１１の表面１１ａとに囲まれた空間に形成されている。オイルギャラリ２０は、ほぼ耐摩環１０とリップ部１７との間に位置している。ピストン本体１１には、オイルギャラリ２０に連通するオイル供給孔１５と、図２中に示す断面とは別断面でオイルギャラリ２０に連通する図示しないオイル排出孔とが形成されている。ピストン本体１１の表面１１ａは、ステンレス鋼などの金属から形成された金網２１によって覆われている。ピストン本体１１を構成する鋳物は、金網２１を挟んで、オイルギャラリ２０とは反対側にのみ存在し、内周面１０ｃと表面１１ａとに囲まれた空間にピストン本体１１を構成する鋳物が存在しない。
【００２３】
なお、本実施の形態では、好ましい形態として上述の構成について説明したが、ピストン本体１１を構成する鋳物は、金網２１の網目から突出していても良い。
【００２４】
図４は、図３中に示す耐摩環および金網を部分的に示す斜視図である。図中では、耐摩環および金網の形状を表わすため、図３中のピストン本体１１が透視して描かれている。図３および図４を参照して、金網２１は、略Ｃ字状に折り曲げられており、その両端が、耐摩環１０の周方向に沿って、内周面１０ｃの上端および下端にそれぞれ接続されている。金網２１は、正方形形状を有する開口部３０が格子状に配列された網目状に形成されている。開口部３０の一辺の長さは、たとえば、０．５ｍｍである。オイルギャラリ２０を取り囲むピストン本体１１の表面１１ａは、開口部３０を介してオイルギャラリ２０に露出している。
【００２５】
耐摩環１０およびピストン本体１１を冷却するため、オイルギャラリ２０には、オイル供給孔１５を通じて冷却油が供給される。供給された冷却油は、オイルギャラリ２０の内部を循環した後、図示しないオイル排出孔を通じて外部へと排出される。この際、ピストン本体１１の表面１１ａがオイルギャラリ２０に露出しているため、冷却油は、表面１１ａと直接、接触しながらオイルギャラリ２０の内部を循環する。
【００２６】
金網２１の開口寸法が最も大きくなる値（図４中では、開口部３０の対角線長さ）をＬとした場合、開口寸法Ｌは、０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることが好ましい。開口寸法Ｌを０．２ｍｍ以上とすることで、表面１１ａがオイルギャラリ２０に露出する面積を確保することができる。開口寸法Ｌを１．０ｍｍ以下とすることで、後で説明するピストン１の鋳造工程時に、溶融金属が金網２１の網目を通過することを防止できる。
【００２７】
図５は、図４中に示す金網の第１の変形例であって、その金網の表面を拡大して示す平面図である。図５を参照して、本変形例では、金網２１は、長方形形状を有する開口部３１が格子状に配列された網目状に形成されている。この場合、開口部３１の対角線長さが、金網２１の開口寸法Ｌとなる。
【００２８】
図６は、図４中に示す金網の第２の変形例を示す斜視図である。図７は、図６中に示す金網の表面を拡大して示す平面図である。図６および図７を参照して、本変形例では、金網２１は、ひし形形状を有する開口部３２が連続して配列された網目状に形成されている。この場合、開口部３２から得られる２つの対角線長さのうち大きい方の長さが、金網２１の開口寸法Ｌとなる。
【００２９】
図８は、図４中に示す金網の第３の変形例であって、その金網の表面を拡大して示す平面図である。図８を参照して、本変形例では、金網２１は、円形状を有する開口部３３が連続して配列された網目状に形成されている。この場合、開口部３３の直径が金網２１の開口寸法Ｌとなる。なお、金網２１の網目の形状は、図４から図８を用いて説明した形状に限定されず、多角形や楕円形など他の形状であっても良い。
【００３０】
この発明の実施の形態における鋳造品としてのピストン１は、鋳込みにより中空部としてのオイルギャラリ２０が形成された鋳造品である。ピストン１は、金属製の網状体としての金網２１を備える。金網２１は、オイルギャラリ２０を規定する鋳物としてのピストン本体１１の表面１１ａを覆う。オイルギャラリ２０には、冷却用流体としての冷却油が流される。
【００３１】
なお、本実施の形態では、本発明における鋳造品を、ディーゼルエンジンを構成するピストン１に適用した場合について説明したが、これに限定されず、鋳造によって作製される各種の製品に適用することが可能である。また、ディーゼルエンジンのピストンのみならず、ガソリンエンジンのピストンに適用することも可能である。さらに、本実施の形態では、耐摩環１０に隣接してオイルギャラリ２０が形成されているが、オイルギャラリ２０は、耐摩環１０と間隔を隔ててピストン本体１１の内部に形成されていても良い。この場合、金網２１は、オイルギャラリ２０を取り囲むピストン本体１１の表面を覆うように形成される。また、本発明における鋳造品では、耐摩環１０は、必ずしも形成されている必要はない。
【００３２】
この発明の実施の形態における鋳造ピストンとしてのピストン１は、外周面１ｂを有するピストン本体１１を備え、内燃機関としてのディーゼルエンジンの燃焼圧を受圧し、かつ受熱する鋳造ピストンである。ピストン本体１１には、冷却用流体としての冷却油が流れる中空部としてのオイルギャラリ２０が形成されている。ピストン１は、網状体としての金網２１をさらに備える。金網２１は、オイルギャラリ２０を規定するピストン本体１１の表面１１ａを覆う。
【００３３】
ピストン１は、外周面１ｂの周方向に沿ってピストン本体１１に埋設され、リング溝１２が形成された耐摩環１０をさらに備える。オイルギャラリ２０は、耐摩環１０に隣り合って環状に延びている。
【００３４】
図９は、図１中のピストンを製造するための鋳型を示す断面図である。続いて、図１中に示すピストンの製造方法について説明を行なう。図９を参照して、本実施の形態では、所定形状のキャビティ５１を有する鋳型４１を用いて、重力鋳造法（溶かした金属を自然重力によって鋳型に注入する方法）によりピストン１を作製する。鋳型４１には、それぞれ異なる位置からキャビティ５１に連通する湯口４２および押し湯座（ライザ）４３とが形成されている。
【００３５】
まず、中空空間５４を形成するように金網２１が固定された耐摩環ベース５３を、キャビティ５１内の所定位置にセッティングする。次に、湯口４２からキャビティ５１内に、ピストン本体１１の材料である溶融金属５２、たとえば溶融したアルミニウム合金を注湯する。このとき、溶融金属５２は、金網２１の周りに充填されていくものの、自らの表面張力によって、金網２１の網目を通過することができない。このため、溶融金属５２は、中空空間５４内に浸入せず、その周りを取り囲んだ状態でキャビティ５１に充填される。
【００３６】
図１０は、図９中の２点鎖線Ｘで囲まれた範囲を拡大して示す断面図である。図１０を参照して、溶融金属５２の注湯時、キャビティ５１内は、大気雰囲気にある。このため、溶融金属５２と大気雰囲気中の酸素とが反応して、溶融金属５２の液面５２ａには、酸化膜が形成されている。一方、溶融金属５２の注湯が進むに従って、液面５２ａの高さが徐々に上昇し、やがて金網２１がセッティングされた位置にまで達する。このとき、金網２１の直下に位置して液面５２ａに形成されていた溶融金属５２の酸化膜が、金網２１に接触する。すると、液面５２ａの全体に渡って形成されていた全ての酸化膜が、金網２１に引き寄せられ、金網２１の周りに集合する。
【００３７】
このように金網２１は、溶融金属５２の酸化膜のフィルタとしても機能し、後に続く工程でリップ部１７が加工される位置に酸化膜が形成されることを防止できる。燃焼圧を受け、応力集中が生じやすいリップ部１７に、亀裂や欠損の起点となる酸化膜が形成されることを防止することで、ピストン１の信頼性を向上させることができる。また、続く工程でリップ部１７を加工する際にも、加工面に欠けが生じることを防止できる。
【００３８】
溶融金属５２を冷却した後、得られた鋳造ピストンを鋳型４１から取り出す。耐摩環ベース５３と金網２１とに取り囲まれた中空空間５４には、オイルギャラリ２０が形成されている。最後に、その鋳造ピストンに必要な加工を施し、図１中に示すピストン１を完成させる。
【００３９】
この発明の実施の形態における鋳造品としてのピストン１の製造方法は、鋳型４１内に、中空形状としての中空空間５４を有する金属製の網状体としての金網２１を配置する工程と、鋳型４１内に溶融金属５２を注湯し、金網２１が有する中空空間５４部分に位置して中空部としてのオイルギャラリ２０が形成されたピストン１を作製する工程とを備える。
【００４０】
このように構成された、この発明の実施の形態におけるピストン１およびその製造方法によれば、冷却油が、オイルギャラリ２０に露出した表面１１ａと接触しながらオイルギャラリ２０内を循環する。このため、ピストン本体１１の冷却効率が向上し、燃焼室に近く、温度上昇が最も大きくなる耐摩環１０の周りを効果的に冷却することができる。たとえば、アルミニウムからなるピストン本体１１とオイルギャラリ２０との間にステンレス板が介在しており、アルミニウム−ステンレス間の熱伝達率を１００％とした場合を想定すると、本実施の形態では、この場合と比較して冷却効率を約１％向上させることができる。つまり、実際には、冷却効率を１％から７％ほどの範囲で向上させることができる。これにより、ピストン１とシリンダ２との摺動面に供給された潤滑油が劣化することを防止し、ピストン１を安定して往復運動させることができる。
【００４１】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】この発明の実施の形態におけるピストンを示す側面図である。
【図２】図１中のピストンを示す断面図である。
【図３】図２中の２点鎖線ＩＩＩに囲まれた範囲を拡大して示す断面図である。
【図４】図３中に示す耐摩環および金網を部分的に示す斜視図である。
【図５】図４中に示す金網の第１の変形例であって、その金網の表面を拡大して示す平面図である。
【図６】図４中に示す金網の第２の変形例を示す斜視図である。
【図７】図６中に示す金網の表面を拡大して示す平面図である。
【図８】図４中に示す金網の第３の変形例であって、その金網の表面を拡大して示す平面図である。
【図９】図１中のピストンを製造するための鋳型を示す断面図である。
【図１０】図９中の２点鎖線Ｘで囲まれた範囲を拡大して示す断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１  ピストン、１ｂ  外周面、１０  耐摩環、１１  ピストン本体、１１ａ  表面、１２  リング溝、２０  オイルギャラリ、２１  金網、４１  鋳型、５２  溶融金属、５４  中空空間。
【図１】
2005349458.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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